现代化层燃技术：108 MW振动炉排炉优化技术探析

炉排炉是最早用于固体燃料的燃烧系统，现在主要用于燃烧生物质。在热电厂中，燃烧生物质的炉排炉的容量从4 MW到300 MW不等（大多在20 MW～50 MW之间）。由于生物质燃料典型的高挥发分和低灰分特性，每个炉排面积的放热功率可达4 MW/m2左右。图7-12所示为一台现代化的燃烧秸秆的108 MW振动炉排炉。图7-13所示为典型的移动炉排炉。现代炉排炉包括四个关键要素：燃料供给系统、炉排组件、二次风（包括燃尽风）系统和排灰系统。

生物质炉排炉典型的燃料供给系统是机械式加料机（进料螺杆、液压推料机等）。例如，在108 MW的燃料炉排锅炉中，用加料机螺杆将秸秆送入水冷振动炉排。对于尺寸非常不均匀且含有相对较大质量分数（30%或更大）细颗粒（粒径几毫米或更小）的生物质燃料，需要使用撒布器来减小燃料尺寸分散趋势，因为炉排炉通常只适用于相对较粗的颗粒。较细的生物质颗粒在一次风作用下悬浮燃烧，其余较重、较大的颗粒落在炉排表面继续燃烧。

炉排位于燃烧室底部，是炉排锅炉的除垢部件。炉排有两个主要功能：完成燃料的纵向输送以及对炉排下面进入的一次风进行分配。炉排可以是风冷的，也可以是水冷的。水冷炉排需要少量的空气进行冷却（一次风用于燃烧），通过使用先进的二次风系统来实现流动性。炉排分为固定倾斜炉排、移动炉排、往复炉排和振动炉排。炉排的运动保证了燃料在燃烧过程中沿炉排的输送和混合。不同炉排的主要特性比较见表7-2。

图7-12　一台现代化的燃烧秸秆的108 MW振动炉排炉

1—秸秆运输带；2—秸秆旋转耙；3—加煤机螺杆；4—水冷振动炉排上的燃料床；5—干舷；6—第二和第三过热器；7—第一过热器；8—省煤器

图7-13　移动炉排炉

1—燃尽风；2—二次风；3—燃料；4—炉排；5—一次风；6—烟气再循环；7—除尘；8—烟气；9—换热管

表7-2　不同类型的炉排及其主要特征

续表

一次风和二次风系统对生物质高效、完全燃烧起着非常重要的作用。对于炉排燃烧，大多数生物质燃料的总过量空气比通常设置为25%或以上。在燃烧生物质的现代炉排炉中，一次风与二次风的比例趋向于40/60，而在较老的机组中则为80/20，这使得先进的二次风供应更加灵活。一次风在一个或多个分离区域的炉排下。二次风和三次风（也称为燃尽风）被注入燃料床上方的燃烧室。从炉排入口到炉排末端，可以划分主要的反应区域：干燥和加热、脱挥发分，以及焦炭烧尽并形成灰。一次风分布和炉排的运动对燃料床内的混合、生物质转化以及燃烧机理有着重要的影响。绝大多数生物质燃烧炉排炉都是交叉流反应器，生物质在垂直于一次风气流的厚层中被输送。生物质床的底部暴露在预热的一次风中，而床的顶部在炉内。燃料床由燃烧炉和耐火炉壁的辐射加热，直到燃料床的顶面着火。先进的二次风供应系统是超高舷燃烧优化的重要内容之一，代表着超高舷燃烧技术的真正突破。炉排上生物质转化释放的气体和少量夹带的燃料颗粒继续在干舷燃烧，二次风在干舷上生物质的混合、燃尽和排放中起着重要作用。现代炉排锅炉中采用的高级二次风供应系统的功能包括形成不同局部燃烧环境的空气分级，优化二次风射流（例如射流数、射流动量、直径、位置、间距和方向等）以形成局部再循环区域或旋流，并使用带有或不带有空气注入的静态混合装置。

为了获得良好的固体转化率，炉排燃烧燃料床必须尽可能均匀。这在很大程度上取决于炉排运动和一次气流的分布。此外，烟气可以在炉排的第一部分下再循环，以补偿燃料水分的蒸发热。在炉排末端，固体残留物（带有未燃炭的灰）会落入灰渣坑，最后再被清除（湿法或干法清除）。(https://www.xing528.com)

在脱挥发分过程中，在燃料床中形成的可燃气体（以及一些轻质的灰）被燃料床上方的一次风带走，在锅炉上部与二次风和燃尽风混合以确保它们完全燃烧。高温燃烧气体流经换热器，热能被传递到管内的流体（水或蒸汽）中。被吸收了热量的烟气迅速降温，离开锅炉后进入烟气处理系统。炉排炉虽然可以燃烧不同类型的生物质，但是它们缺乏对变化的生物质条件（例如水分变化）做出快速反应的能力。

1.移动式炉排

在移动式炉排系统中，炉排具有连续运动的特点。这种运动特性可以使非均相反应区域（干燥、脱挥发分和焦炭燃尽）分离，使得燃料床内存在明显的温度梯度，最终达到均匀且高的燃尽率。因此，为了获得较好的效果，该系统要具有相对较小的燃料床高度。这是通过抛料机锅炉实现的，其中燃料通过机械（旋转叶片系统）或气动方式供给（见图7-14）。燃料颗粒通过炉排飞到炉排的另一侧，落在炉排上的不同位置，其飞行距离是质量的函数。在飞行过程中，燃料颗粒被干燥并部分（或完全）脱挥发分，因此，炉排表面积越小，转化率越高。然而，由于小的生物质颗粒会被燃料气携带走，导致飞灰中未燃尽碳增加，因此限制了移动式炉排炉系统在生物质利用中的使用比例。

图7-14　抛料机系统

1—一次风；2—烟气再循环二次风；3—上二次风；4—三次风；5—气动燃油喷射；6—副喷油进气口

2.往复式炉排

往复式炉排具有向前和向后的运动，除了床的平移运动外，还可以确保燃料颗粒的滚动（见图7-15）。这样可以使燃料床具有更好的均匀性，使得燃尽率更高。这种类型的锅炉容量通常低于30 MW，主要用于生物质直燃发电。

图7-15　往复式炉排

3.振动式炉排

振动式炉排由安装在板簧上的水冷面板组成。面板通过电动机驱动的连杆振动（见图7-16）。燃料散布在炉排顶部，首先干燥，然后脱挥发分。残留的焦炭燃烧形成灰，并随着燃料床向炉排下端移动被清除。振动频率可以进行连续调整，以匹配燃料特性。振动炉排不需要复杂的移动机构，因此该系统更为可靠，维护成本较低。炉排的振动使燃料颗粒均匀地散布，实现了燃料颗粒在燃料床内更好的混合，也进一步改善了焦炭燃尽效果。

图7-16　振动式炉排

1—干燥；2—脱挥发分；3—焦炭燃烧；4—灰；5—板簧；6—振动机构